CN103389320B - 一种带卷材料径向等效导热系数的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种带卷材料径向等效导热系数的测量装置及方法，包括管形加热器，管形量热计，下部隔热支撑板，上部隔热板，冷却罩，被测带卷。管形量热计上安装有温度传感器，管形量热计套在管形加热器上，并与管形加热器同轴，被测带卷材料内外壁面上焊接温度传感器，被测带卷材料套在管形量热计上，并与管形量热计之间有一定的间隙且两者同轴，冷却罩放置在下部隔热支撑板上，上部隔热板覆盖在整个实验装置上，冷却罩、上部隔热板、下部隔热支撑板之间的接缝处密封，三者组成密闭的空间。冷却介质经由冷却罩气体入口流入实验装置，经冷却罩气体出口流出实验装置。本发明可以对带卷形式的材料，在不同温度、不同卷曲张力条件下，进行径向导热系数的测量。

Description

一种带卷材料径向等效导热系数的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种带卷材料(包括钢带卷、铝带卷等卷曲成卷形式的材料)的径向等效导热系数的测量装置及方法。尤其涉及到钢带卷、铝带卷在热处理炉中加热时，沿着带卷径向等效导热系数的测试，属于材料热处理和传热学领域。

背景技术

任何固体表面都是粗糙的，当两个固体表面接触时，能够完全接触的位置都是以散点形式存在的，因此粗糙的表面之间总是存在接触间隙的，这些接触间隙之中可能存在间隙介质(如气、液、粉尘等)，因此两个固体接触界面上的等效导热系数(或接触热阻)不仅仅与两个材料本身的物性参数相关，还与接触界面的压力、接触界面的温度和接触界面的形式相关。对于带卷状材料(钢卷、铝卷等)，通常能够卷曲成带卷的材料都是带材，其厚度都很小，宽度很大(相对于厚度)，卷曲成带卷形式之后，沿着带卷的径向方向是由多层带材组成的。由于卷曲过程中都要施加一定的卷曲张力，因此，带卷径向的多层带材之间存在初始接触压应力，初始接触压应力与卷曲张力有关。

在对带卷材料进行热处理的过程中，随着加热温度的升高，由于热膨胀的原因，带卷径向接触压应力会有上升的趋势，且带卷温度越高，热膨胀越剧烈，带卷径向接触压应力越高。同时，带卷物性参数(硬度、热导率等)也是随着温度而改变的。因此，带卷径向等效导热系数也随着带卷加热温度的改变而变化，并且在不同的初始接触压应力条件下，带卷径向等效导热系数与带卷加热温度之间的关系也不同。

发明内容

本发明针对现有的接触测量装置难以测量带卷的径向等效导热系数的缺点，设计了专门用于测量带卷的径向等效导热系数的装置和方法，实现了在一定的卷曲张力、一定的加热温度条件下带卷的径向等效导热系数的测量。

一种测量带卷材料径向等效导热系数的装置，其特征在于：包括如下几个部分：管形加热器(附有温度控制器)、温度数据采集器、管形量热计、被测带卷材料(简称“带卷”)、下部隔热支撑板、上部隔热板、冷却罩。管形加热器固定在下部隔热支撑板上，管形量热计上安装有温度传感器，管形量热计套在管形加热器上，并与管形加热器同轴，被测带卷材料内外壁面上焊接温度传感器，被测带卷材料套在管形量热计上，并与管形量热计之间有一定的间隙且两者同轴，冷却罩放置在下部隔热支撑板上，上部隔热板覆盖在整个测量装置上，冷却罩、上部隔热板、下部隔热支撑板之间的接缝处密封，三者组成密闭的空间。冷却介质(保护气)经由冷却罩气体入口流入测量装置，经冷却罩气体出口流出测量装置。

所述管形加热器(附有温度控制器)，是在两个耐热陶瓷套筒之间，将电阻丝进行螺旋布置，通过温度控制器，控制电阻丝的发热功率，达到调节加热温度的目的，与冷却罩协调使用，可以达到调节带卷径向热流量的目的。

所述温度数据采集器，采集实验装置上所有测温热电偶的数据，并直接转换为温度数据，采集频率为10Hz以上。所述温度数据采集器只要能够满足温度采集的需求，即可配合本发明提供的设备和方法一同使用，并测量带卷材料径向等效导热系数。

所述管形量热计为一热物性参数已知的金属材料制成，通过测量管形量热计内外壁面温度、内部温度，结合其热物性参数，可计算得到通过管形量热计的热流量和各个位置的热流密度。同时，带卷材料是卷取成卷的形式，套在管形量热计外部的，两者之间有一定的间隙，测温热电偶可通过该间隙引出。

所述下部隔热支撑板，主要由绝热材料和钢板组成，绝热材料布置在内侧，起到降低装置散热量的作用，尤其是降低带卷、管形量热计轴向方向的热流量。钢板主要起到支撑作用。下部隔热板上设置有热电偶出入孔、电阻丝加热导线出入孔，出入孔采用耐高温绝缘陶瓷与下部隔热板隔离。此外，在钢板外缘设计有密封装置，便于与冷却罩之间的连接和密封。

所述上部隔热板，主要由绝热材料和钢板组成，绝热材料布置在内侧，起到降低装置散热量的作用，尤其是降低带卷、管形量热计轴向方向的热流量。钢板主要起到支撑作用。此外，在钢板外缘设计有密封装置，便于与冷却罩之间的连接和密封。

所述冷却罩，其内层布置绝热材料，外层为钢板作为支撑。在冷却罩上设置有冷却气体出口和入口。通过控制冷却气体的流量，可以调节带卷外侧环境的温度。冷却罩与管形加热装置协调使用，可以调整带卷温度水平和带卷径向温度差，从而间接调节了带卷径向的热流量，达到测量不同温度条件下带卷径向等效导热系数的目的。

一种测量带卷材料径向等效导热系数的测试方法，其特征在于：采用本发明提供的带卷材料径向等效导热系数的测量装置，通过管形加热器(附带温度控制器)和冷却罩建立温度梯度，当传热过程达到稳定状态后，通过测温数据计算管形量热计的径向热流，取多个方向的平均值(本发明专利提供的实施方法说明中取三个方向的径向热流平均值)，根据被测带卷的内外半径和内外壁面温度，按照圆筒壁的一维径向稳态导热公式，计算得到被测带卷材料的径向等效导热系数，为了降低计算误差，作为最终结果的径向等效导热系数为多个方向的平均值。

有益效果

本发明的优点在于：

(1)本发明采用管形加热器对带卷进行加热，由于管形加热器采用螺旋布置电阻丝，提高了电阻丝在圆周方向和高度方向上发热量的均匀性，且电阻丝布置在内外耐热陶瓷套筒之间，通过耐热陶瓷套筒将热量传递给量热计，由于耐热陶瓷套筒自身的导热作用，可进一步提高周向热流密度的均匀性。带卷圆周方向热流密度的均匀性，反映了带卷温度在圆周方向的均匀性，进而影响到带卷内部热变形和热应力在圆周方向的均匀性。严格控制带卷圆周方向热流密度的均匀性，可以提高带卷径向等效导热系数的测量精度。

(2)本发明设置了上、下隔热板，采用多层绝热材料的布置，降低了管形量热计、带卷的轴向热流量。通过冷却罩，在带卷外壁面一侧实现了可控的低温环境，结合管形加热器在带卷内壁面一侧形成的高温环境，实现了沿着带卷径向方向的一维热流。

(3)本发明可以对带卷形式的材料，在不同温度、不同卷曲张力条件下，进行径向导热系数的测量，且在实验过程中考虑了带卷自身的热应力作用。

附图说明

图1为本发明提供的带卷材料径向等效导热系数测试设备整体结构示意图；

图2（a）是管形加热器1和下部隔热支撑板5正视图；

图2（b）管形加热器1和下部隔热支撑板5俯视图；

图3（a）为管形量热计2正视图；

图3（b）为管形量热计2俯视图；

图4（a）为被测带卷材料3正视图；

图4（b）为被测带卷材料3俯视图；

图5（a）为冷却罩4正视图；

图5（b）为冷却罩4俯视图。

其中：1、管形加热器(附有温度控制器)；2、管形量热计；3、被测带卷材料；4、冷却罩；5、下部隔热支撑板；6、上部隔热板；7、密封加固螺栓；8、管形加热器电源通道；9、测温热电偶通道；10、冷却罩气流入口；11、冷却罩气流出口；12、管形量热计上的测温点位置；13、被测带卷材料上的测温点位置；14、密封加固螺栓孔；401、冷却罩内层绝热材料；402、冷却罩外层钢壳；501、下部隔热支撑板内层绝热材料；502、下部隔热支撑板外层钢壳；503、下部隔热支撑板的垫脚。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的说明。

本发明提供了一种测量带卷材料径向等效导热系数的设备和方法。该测试方法利用轴对称导热问题的基本原理，通过测量热流在径向方向的变化来检测带卷材料的径向等效导热系数。该种测试方法具有简单、可靠性好，测量精度高的优点。由于本方法属于稳态测试方法，需要测试设备的主要元件(管形加热器1、管形量热计2、被测带卷材料3、冷却罩4)的温度稳定后，且在被测带卷内部建立温度梯度才能获得准确数据。因此，本发明提供如下设备和步骤实现带卷材料径向等效导热系数的测量。

(1)测试试样和测试设备准备

根据测试材料种类，加工测试带卷材料，将带材按设定的卷曲张力卷曲成带卷材料3，带卷材料3内径略大于管形量热计2的外径，确保带卷材料3能够套在管形量热计2上。在管形量热计2上的特定位置安装热电偶12，为了进一步减小周向热流的不均匀性造成的误差，在管形量热计的圆周方向安装三组相同的热电偶12，每一组热电偶均可以独立计算出径向热流。在被测带卷材料的内侧壁面和外侧壁面上安装三组热电偶13(内侧一支，外侧一支)，这三组热电偶13的位置(圆周方向)对应管形量热计上热电偶12的安装位置。

(2)将管形量热计2、被测带卷材料3放置在下部隔热支撑板5上，调整其相对位置，确保被测带卷材料3、管形量热计2、管形加热器1三者之间的间隙在圆周方向是均匀的。测温热电偶12、13从测温热电偶通道9引出。

(3)固定冷却罩4，安装固定上部隔热板6，确保冷却罩4、上部隔热板6、下部隔热支撑板5之间的密封。

(4)根据实验条件决定是否需要采用保护气氛。若需要防止被测带卷产生氧化，在开始升温之前采用氮气对整个装置进行吹扫，氮气入口为冷却罩气体入口10，出口为冷却罩上体出口11。

(5)设定管形加热器1的升温曲线和保温温度，开启设备升温，同时开启数据采集设备采集温度数据。待管形加热器温度达到保温温度之后，开启冷却罩气体入口10，开启冷却罩气体出口11，调整合适的气体流量，此时通入冷却罩的气体为保护气(氮气或其它惰性气体)。

(6)待温度数据稳定之后，停止实验，根据最终稳定的温度数据，按如下方法计算径向热流：

量热计径向热流的计算方法：

$q_{i-i+1}=\frac{T_i-T_{i+1}}{\frac{1}{2\mathrm{\π\λ}}\ln \frac{R_{i+1}}{R_i}}$

式中：i=1，2，3；其中λ为量热计材料的导热系数(为已知量)，由与导热系数随着温度变化，此处量热计材料的导热系数λ取值为平均温度下的值，或者各个温度下的平均值λ(T)表示温度T条件下的导热系数；i为同一组热电偶测点的编号，由内向外依次编号为1、2、3、4(如图3所示)；T_i为热电偶i所测的温度，R_i为热电偶测点i所在圆周的半径。

量热计上在圆周方向布置了三组相同的热电偶测点，每一组均有4个热电偶测点，由内向外依次编号为1、2、3、4(如图3所示)，因此，每一组均可以计算出q_1-2、q_2-3、q_3-4三个热流，为了降低实验测量的系统误差，取其平均值作为该组热电偶测量的热流取三组热电偶测量的热流平均值作为最终计算带卷径向等效导热系数的热流

(7)计算得到三组热电偶测量的热流平均值之后，结合带卷内侧壁面、外侧壁面温度测量值T_{j组_inside}、T_{j组_outside}(被测带卷材料上的测温点13共有三组，此处j=1、2、3)，按照下式计算带卷材料的径向等效导热系数

(此处j=1、2、3)

上述式中：R_{j组_inside}和R_{j组_outside}分别为被测带卷材料的第j组测温点处的内半径和外半径。

最终的带卷材料的径向等效导热系数取为各组的平均值：

Claims (1)

1.一种测量带卷材料径向等效导热系数的方法，其特征在于：采用带卷材料径向等效导热系数的测量装置，利用轴对称导热问题的基本原理，通过测量热流在径向方向的变化来检测带卷材料的径向等效导热系数；

所述带卷材料径向等效导热系数的测量装置，包括管形加热器(1)，管形量热计(2)，下部隔热支撑板(5)，上部隔热板(6)，冷却罩(4)，被测带卷材料(3)；管形加热器(1)固定在下部隔热支撑板(5)上，管形量热计(2)上安装有温度传感器(12)，管形量热计(2)套在管形加热器(1)上，并与管形加热器(1)同轴，被测带卷材料(3)内外壁面上焊接温度传感器(13)，被测带卷材料(3)套在管形量热计(2)上，并与管形量热计(2)之间有一定的间隙且两者同轴，冷却罩(4)放置在下部隔热支撑板(5)上，上部隔热板(6)覆盖在整个测量装置上，冷却罩(4)、上部隔热板(6)、下部隔热支撑板(5)之间的接缝处密封，三者组成密闭的空间；冷却介质经由冷却罩气体入口(10)流入实验装置，经冷却罩气体出口(11)流出测量装置；

所述方法具体测量步骤如下：

1)测试试样和测试设备准备

根据测试材料种类，加工测试带卷材料，将带材按设定的卷曲张力卷曲成被测带卷材料(3)，被测带卷材料(3)内径略大于管形量热计(2)的外径，确保被测带卷材料(3)能够套在管形量热计(2)上；在管形量热计(2)上安装测温热电偶一(12)，为了进一步减小周向热流的不均匀性造成的误差，在管形量热计的圆周方向安装三组相同的测温热电偶一(12)，每一组热电偶均可以独立计算出径向热流；在被测带卷材料的内侧壁面和外侧壁面上安装三组测温热电偶二(13)，每组热电偶是内侧一支、外侧一支，这三组测温热电偶二(13)的圆周方向位置对应管形量热计上测温热电偶一(12)的安装位置；

2)将管形量热计(2)、被测带卷材料(3)放置在下部隔热支撑板(5)上，调整其相对位置，确保被测带卷材料(3)、管形量热计(2)、管形加热器(1)三者之间的间隙在圆周方向是均匀的；测温热电偶一(12)、测温热电偶二(13)从测温热电偶通道(9)引出；

3)固定冷却罩(4)，安装固定上部隔热板(6)，确保冷却罩(4)、上部隔热板(6)、下部隔热支撑板(5)之间的密封；

4)根据实验条件决定是否需要采用保护气氛；若需要防止被测带卷产生氧化，在开始升温之前采用氮气对整个装置进行吹扫，氮气入口为冷却罩气体入口(10)，出口为冷却罩气体出口(11)；

5)设定管形加热器(1)的升温曲线和保温温度，开启设备升温，同时开启数据采集设备采集温度数据；待管形加热器温度达到保温温度之后，开启冷却罩气体入口(10)，开启冷却罩气体出口(11)，调整合适的气体流量，此时通入冷却罩(4)的气体为保护气；

6)待温度数据稳定之后，停止实验，通过管形加热器和冷却罩(4)建立温度梯度，当传热过程达到稳定状态后，通过测温数据计算管形量热计的径向热流，取多个方向的平均值，根据被测带卷的内外半径和内外壁面温度，按照圆筒壁的一维径向稳态导热公式，计算得到被测带卷材料的径向等效导热系数，为了降低计算误差，作为最终结果的径向等效导热系数为多个方向的平均值。